CN109005136A - 一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，将原始二进制数据进行多载波多概率调制从而得到不同概率分布的星座映射。调整星座的概率分布参数获得的多个子载波组的星座通过波束整合从而形成新的传输载波，该载波更符合光纤信道模型，具有高斯型的能量分布。同时，多载波多概率技术能够在信号调制阶数不变的情况下根据不同的服务质量用户的需求灵活的分配不同的带宽，因此可以应用于光接入技术领域。另外，采用这种新型的多概率波束映射的光信号产生方案可以使得整个系统具有更低的发射功率，更优的抗噪性能。

Description

一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法
技术领域
本发明属于光传输技术领域，具体涉及一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法。
背景技术
随着云计算、在线高清视频、高速无线接入等业务的快速发展，网络带宽的需求呈指数级逐年增长。据分析机构OVUM报告指出，从2013年开始，全球网络流量呈现高速增长态势，大约每三年增长一倍。在5G、4K视频、企业专线驱动下，未来网络流量将保持超过25％的速度增长，尤其是在中国等地区，网络流量增速甚至高达40％。在现代化通信领域中，光纤通信技术因其具有带宽容量大、传输速率高、抗干扰能力强等特点，目前已成为人类生产生活中必不可少的通信方式。
快速增长的数据流量需要更高频谱效率和更高速率的编码调制等新兴技术来支撑。传统的多载波调制技术包括正交频分复用技术、离散多音频调制技术、奈奎斯特多载波技术等等。然而，由于上述这些调制技术都是基于多载波正交的，因此存在较高的峰均功率比、较低的频谱利用率、且对频率偏移和相位噪声极为敏感、容易受到载波间干扰和同步误差的影响等不足，从而导致光纤传输系统的资源利用率低、功率消耗大、系统性能差。因此这些多载波技术是无法应对未来网络数据流量的快速增长的趋势。所以在多载波光信号发射方法方面亟需对新型的载波成型技术的研究。
同时，为了追求更高的数据速率，在光通信的调制编码模块中通常采用高阶调制格式(如16QAM、DPSK等)来提高系统的频谱效率。但是由于光纤信道存在非线性效应，常规的高阶调制格式需要很高的发射功率。因此，需要对具有高效频谱效率和低发射率新型编码调制格式进行探索。
本发明所提出的X载波阵列波束映射方案可以使得信号的频谱中的旁瓣快速衰减，降低信号的峰均功率比。波束分组后对各个子载波(subcarriers)上的信息进行多概率分布调度，从而在规则的网格上产生非均匀分布的星座，以便保证在发射功率不增加的情况下进一步提高频谱效率，降低传输系统的误码率。多概率分布调度算法是一种编码调制优化算法，既容易实现，又不需要修改数模转换器和光信号处理算法。多概率分布调度算法打破传统了星座映射中均匀分布的规则。由于星座图中星座点的位置不同，即欧氏距离不同，所需的发射能量也不相同。该算法通过对各个子载波的星座图进行独立的概率参数设定，降低能量高的星座点的发射概率，提高能量较低的星座点的发射功率，从而降低整个系统的发射功率，极大的提升系统的传输性能。
发明内容
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过多概率阵列波束映射单元得到多概率多载波数据流；
步骤二：经过数模转换器将调制映射后的数据流转换为模拟信号；
步骤三：通过光调制器将模拟电信号调制成模拟光信号，并经过光纤链路传送到接收端；
步骤四：在接收端，多概率多载波的光信号经过光电探测器转变为电信号，并对其进行信道均衡、色散补偿等数字信号处理；
步骤五：经过低通滤波器、模数转换器和多概率阵列波束解映射的滤波解调以及解映射获得原始二进制码。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
步骤一所述的多概率阵列波束映射单元包括时隙子载波二维映射单元、X载波阵列波束成形单元、波束分组单元、多概率分布调度单元、波束整合单元以及调制输出单元；
多概率阵列波束映射单元的工作流程包括以下步骤：
步骤a：所述时隙子载波二维映射单元将二进制数据进行时隙映射和串并变化，得到概率均匀分布的时频块；
步骤b：时频块经过X载波阵列波束成形单元，输出多载波阵列波束；
步骤c：设置多载波滤波器组的参数，波束分组单元将多载波阵列波束分组，得到不同的子载波组；
步骤d：多概率分布调度单元对不同的子载波组进行多概率分布调度，从而使得不同的时频块具有不同的概率分布；
步骤e：波束整合单元将携带信息的不同子载波组整合成一路多载波，再经过调制输出单元调制输出。
上述的时隙子载波二维映射单元将二进制数据进行时隙映射和串并变化，得到概率均匀分布的时频块，所述波束分组单元为分束器，所述多概率分布调度单元包括时隙多概率匹配器和子载波多概率匹配器，所述波束整合单元为合束器。
步骤三所述的光纤链路前端设有光衰减器，后端设有预放大器和光带通滤波器，所述光衰减器用于调控光功率，所述预放大器用于调整光功率；所述光带通滤波器用于滤除波形噪声。
步骤五所述的低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，多概率阵列波束解映射是发射端多概率阵列波束映射的逆过程。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的多概率阵列波束映射的多载波光信号的产生系统及发射方法，将原始二进制数据进行多载波多概率调制从而得到不同概率分布的星座映射。调整星座的概率分布参数获得的多个子载波组的星座通过波束整合从而形成新的传输载波，该载波更符合光纤信道模型，具有高斯型的能量分布。同时，多载波多概率技术能够在信号调制阶数不变的情况下根据不同的服务质量用户的需求灵活的分配不同的带宽，因此可以应用于光接入技术领域。另外，采用这种新型的多概率波束映射的光信号产生方案可以使得整个系统具有更低的发射功率，更优的抗噪性能。
本发明利用多概率调制的新型物理层调制技术对多载波实现波束成型，通过调节子星座点的不同概率比例，实现不同子载波组的概率星座映射，打破传统均匀分布的星座图映射方法，从而降低整个通信链路的发射功率，提高信号的抗噪能力，优化系统的传输性能。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的多概率阵列波束映射单元原理框图；
图3为本发明的多概率阵列波束调制的波形示意图；
图4为本发明的符号块中不同时隙的概率映射原理图；
图5为本发明的不同子载波不同时隙符号块的多概率映射原理图；
图6为本发明的概率映射星座点说明图；
图7为本发明的系统模型图；
图8为本发明经过加性高斯白噪声道后接收到的星座图。
具体实施方式
以下结合附图，以多载波多概率调制16QAM(正交幅度调制)星座为实施例对本发明的作进一步详细描述。
参见图1和图7，一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过多概率阵列波束映射单元得到多概率多载波数据流；
步骤二：经过数模转换器将调制映射后的数据流转换为模拟信号；
步骤三：通过光调制器将模拟电信号调制成模拟光信号，并经过光纤链路传送到接收端，光纤链路前端设有光衰减器，后端设有预放大器和光带通滤波器，光衰减器用于调控光功率，预放大器用于调整光功率；光带通滤波器用于滤除波形噪声；
步骤四：在接收端，多概率多载波的16QAM光信号经过光电探测器转变为电信号；
步骤五：经过低通滤波器、模数转换器和多概率阵列波束解映射的滤波解调以及解映射获得原始二进制码，最后对接收的二进制数据进行误码率分析，评估系统的性能，低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，多概率阵列波束解映射是发射端多概率阵列波束映射的逆过程。
参见图2，多概率阵列波束映射单元包括时隙子载波二维映射单元、X载波阵列波束成形单元、波束分组单元、多概率分布调度单元、波束整合单元以及调制输出单元；
多概率阵列波束映射单元的工作流程包括以下步骤：
步骤a：所述时隙子载波二维映射单元将二进制数据进行时隙映射和串并变化，得到概率均匀分布的时频块；
步骤b：时频块经过X载波阵列波束成形单元，输出多载波阵列波束，如图2中(A)；
步骤c：设置多载波滤波器组的参数，分束器将多载波阵列波束分组，得到不同的子载波组，如图2中的(1)-(4)所示；
步骤d：多概率分布调度单元包括时隙多概率匹配器和子载波多概率匹配器，可根据系统需求分别进行时隙和子载波上的多概率匹配，从而使得不同的时频块具有不同的概率分布,例如将图2中(1)的子载波对其进行(a)的概率星座映射，图2中(1)-(4)分别对应的是(b)-(d)的概率星座映射，；
步骤e：合束器将携带信息的不同子载波组整合成一路多载波，再经过调制输出单元调制输出。
多概率阵列波束映射单元各单元工作原理如下：
时隙子载波二维映射单元的主要作用是将输入的原始二进制符号进行时隙子载波二维映射，从而将一维的数据流变为二维的子载波流。
参见图3，X载波阵列波束成形单元工作机理以图中两个时隙为例。首先将多载波进行如图3中(1)所示的T1和T2两个时隙的划分，并对两个时隙的子载波组中的每束子载波的概率u值进行设置，从而得到图3中(2)所示子载波。利用灵活设置多滤波器组的参数对子载波组进行阵列成形，即如图3中(3)所示。同时利用前导符号对每束子载波进行标记，便于接收端对不同的子载波进行识别解调。该单元主要实现多载波阵列成形，从而达到降低峰均功率比的目的。系统利用如图3中(3)所示的多载波传输信息，可减少载波间干扰，并极大地提高传输速率。
波束分组单元主要是对不同的子载波组进行波束分组，得到如图2中(1)-(4)所示的子载波组，以便于多概率分布调度单元对不同的子载波组进行非均匀概率星座映射。
多概率分布调度单元主要是通过对不同的波束分组分别进行概率映射，如图2所示，每一个波束分组(如图2中(1)所示)经过多概率分布调度单元实现星座映射(如图2中(a)所示)。对于符号块的不同时隙进行多概率成形的原理图如图4所示。图4中(i)是传输的符号串，首先对符号串抽取子符号块，得到图4中(ii)所示的子符号串。然后对子符号串进行概率设置。另外，对于不同子载波不同时隙的多概率分布设置的原理图如图5所示。对图5中每个时频块的概率u值进行处理，使得每个时频块的u值不再是均匀分布，从而得到非均匀分布的时频符号块。多概率分布调度单元概率星座映射原理如图6所示。首先对常规的16QAM星座依据不同星座点的位置进行区域的划分，划分为子星座1、子星座2和子星座3。用a类星座点表示子星座1，b类星座点表示子星座2，c类星座点表示子星座3。在概率分布调度的设置中，通过对常规16QAM不同子星座点处的映射变化处理，从而使得常规16QAM的星座映射成具有不同概率分布区域的星座图。例如将子星座3处的点以某个固定的概率映射到子星座1上或子星座2上，从而使得常规均匀分布的16QAM星座图变为非均匀分布的多概率星座图。通常情况下是将常规星座图中的能量高的外围星座点通过概率分布调度映射带能量低的内圈星座点(靠近原点处)，从而可以达到降低系统的发射功率。
波束整合单元主要是对多概率分布调度单元输出的各个不同概率分布的子载波组进行波束整合，从而可以得到传输载波。该单元与波束分组单元的波束分组调制的过程相反。
调制输出单元主要是对波束整合单元的载波进行上采样、脉冲整形、上变频、添加帧头等操作，从而使得载波能够调制到光纤链路中传输。其中添加帧头的目的是为了同步操作，便于在接收端处理数据时搜寻数据的开头。
图8中(a)是常规16QAM信号的星座图，图8中(b)为多概率分布调度解调后的常规16QAM信号的星座图。本发明利用多概率阵列波束映射多载波光信号产生方法的星座图如图8中(c)-(d)所示。图8中(c)为接收端接收的星座图，图8中(d)为多概率阵列波束解映射后的星座图。从图8可以看出本发明提出的基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法是可行的。本发明提出的多概率阵列波束映射光信号发射方法能够使整个系统的发射功率降低，同时减小系统的运维成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在发射端，二进制数据流经过多概率阵列波束映射单元得到多概率多载波数据流；
步骤二：经过数模转换器将调制映射后的数据流转换为模拟信号；
步骤三：通过光调制器将模拟电信号调制成模拟光信号，并经过光纤链路传送到接收端；
步骤四：在接收端，多概率多载波的光信号经过光电探测器转变为电信号；
步骤五：经过低通滤波器、模数转换器和多概率阵列波束解映射的滤波解调以及解映射获得原始二进制码。
2.根据权利要求1所述的一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，其特征在于：步骤一所述的多概率阵列波束映射单元包括时隙子载波二维映射单元、X载波阵列波束成形单元、波束分组单元、多概率分布调度单元、波束整合单元以及调制输出单元；多概率阵列波束映射单元的工作流程包括以下步骤：
步骤a：所述时隙子载波二维映射单元将二进制数据进行时隙映射和串并变化，得到概率均匀分布的时频块；
步骤b：时频块经过X载波阵列波束成形单元，输出多载波阵列波束；
步骤c：设置多载波滤波器组的参数，波束分组单元将多载波阵列波束分组，得到不同的子载波组；
步骤d：多概率分布调度单元对不同的子载波组进行多概率分布调度，从而使得不同的时频块具有不同的概率分布；
步骤e：波束整合单元将携带信息的不同子载波组整合成一路多载波，再经过调制输出单元调制输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，其特征在于：所述波束分组单元为分束器，所述多概率分布调度单元包括时隙多概率匹配器和子载波多概率匹配器，所述波束整合单元为合束器。
4.根据权利要求1所述的一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，其特征在于：步骤三所述光纤链路前端设有光衰减器，后端设有预放大器和光带通滤波器，所述光衰减器用于调控光功率，所述预放大器用于调整光功率；所述光带通滤波器用于滤除波形噪声。
5.根据权利要求1所述的一种基于多概率阵列波束映射的多载波光信号发射方法，其特征在于：步骤五所述低通滤波器用于光电探测器转换后滤除基带以外的电噪声，多概率阵列波束解映射是发射端多概率阵列波束映射的逆过程。
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